مرحله اول در ارزیابی یک پروژهDG این است که باید معلوم شود چه مقداراز تجهیزات باید نصب شود و میزان پس انداز سالیانه بدلیل استفاده از DG چقدر است مشترکین باید هزینه ها ی عملکردی اضافی را متحمل شده و آنرا پرداخت نمایند .این هزینه ها شامل هزینه سوخت و هزینه های تعمیر و نگهداری از آن می باشد:
هزینه بهره برداری = هزینه های سوخت + هزینه های تعمیر و نگهداری
هزینه های سوخت تابعی از راندمان DG و همچنین قیمت سوخت می باشد.همانطور که هزینه بهره برداری به قیمت سوخت بستگی دارد مقدار صرفه جوئی کل هم به آن بستگی دارد در این مثال با فرض قیمت سوخت ۵دلار (MM BTU) میزان صرفه جوئی سالیانه ۷۵۰۰ دلار است.
هزینه های سالیانه بهره برداری DG - صرفه جوئی سالیانه در خرید انرژی الکتریکی= میزان صرفه جوئی کل سالیانه
پروژه های این چنینی را معمولا با محاسبه دوره برگشت اولیه ارزیابی می کنند:
هزینه نصب÷صرفه جوئی سالانه=دوره برگشت اولیه
در صورتیکه پروژه به برگشت مورد نظر برسد به راه خود ادامه میدهد و متوقف نخواهد شد میزان این حد برگشت سرمایه بستگی به نحوه مدیریت و چیدن امکانات دارد بعنوان مثال، مشترکین تجاری نیاز به دوره برگشت ۲تا۴ ساله دارند در حالی که شرکتهای سرویس دهنده انرژی دوره ای حدود ۵ تا۷ ساله دارند.

مزایای اقتصادی DG ازدید شرکت توزیع

جلوگیری از افزایش ظرفیت شبکه: DG به عنوان یک منبع کمکی و اضافی به تامین انرژی می پردازد و لذا می تواند تا حدودی شرکت توزیع را از ایجاد سیستم جدید تولید انتقال و توزیع باز بدارد.
کاهش تلفات الکتریکی در بخش انتقال و توزیع : با نصب DG ،شبکه انتقال و توزیع ، به منظور حمل و ارائه انرژی به مشترکین کوچکتر شده و لذا تلفات نیز کاهش می یابد.
به تاخیر انداختن بروز آوری شبکه های انتقال و توزیع: با بهره گرفتن از DG شرکتهای توزیع می توانند جوابگوی رشد بار بوده و لذا با تاخیر زمانی نسبت به بهبود ظرفیت اقدام کنند .
توان تامین راکتیو: برخی تکنولوژی های DG مانند موتورهای رفت و برگشتی می توانند تولید توان راکتیو کنند این امر سبب کمک به تقویت و پایداری ولتاژ شبکه می شود.
کاهش تراکم دیماند و انتقال انرژی: با نصب سیستم تولید توان در محل مصرف و یا نزدیک به آن ،طول موثر شبکه انتقال و توزیع افزایش می یابد و ظرفیت شبکه برای جوابگوئی به سایر مشترکین آزاد می شود.

پیک سائی: همانطور که در بخشهای قبل اشاره شد DG می ­تواند سبب کاهش دیماندمشترکین در ساعات اوج مصرف شود که این امر سبب کاهش هزینه ها خواهد بود.
کاهش حاشیه رزرو: با نصب DG میزان دیماند کلی شبکه پائین می آید و ظرفیت تولید بهبود می یابد و لذا نیاز به رزرو کمتری در شبکه است.
بهبود کیفیت توان: با نصب DG اثرات منفی کیفیت توان از جمله ولتاژ و فرکانس نامطلوب در شبکه کاهش می یابد.
افزایش قابلیت اطمینان: استفاده از DG می تواند سبب کاهش و یا حذف خاموشی در نقاط معینی از شبکه توزیع شود.

تحلیل توربین بادی

منحنی Cp بر حسب λوθp در شکل ۳-۱ ، نشان داده شده است، که مقادیر مختلفی از آن برای مدل توربین بادی لازم است.

شکل ۳-۱- شکل موج Cp بر حسب λوθp [ ۲۲]
که λiمقادیر مختلف این متغیر است.ماکزیمم مقدار Cp در این مدل، ۴٨/۰ است که متناظر زاویه گام صفر و ۱/۸= λ است، که این مقدار لاندا را مقدار نامی می نامیم و که مقدار پایه ای برای پریونیت لاندا خواهد بود و برابر نسبت سرعت اوج پره به سرعت ماکزیمم باد است.
پس باداشتن تابعcp و سرعت باد، توان خروجی توربین برحسب سرعت آن، بدست آمده و مطابق شکل(۳-۲) خواهد بود و مدل آن در محیط نرم افزار Matlab/Simulink به صورت شکل (۳-۳) طراحی شده است که تمام مقادیر پریونیت می باشند.

شکل ۳-۲- شکل موج توان توربین بادی برحسب سرعت آن

شکل ۳-۳- مدل سیمولینکی توان تولیدی توربین بادی
کنترل زاویه گام به صورت بلوک دیاگرامی در شکل (۳-۴) آمده است و مقادیر کنترل کننده های PI استفاده شده در آن نیز ثوابت دیگر در مدل سیمولینکی ارائه شده اند .

شکل ۳-۴- مدل دینامیکی عملکرد و کنترل زاویه پره توربین بادی
پس از بیان مدل مکانیکی، کنترل سیستم الکتریکی را بررسی خواهیم کرد. برای تریگر کردن مناسب المانها و فراهم سازی پالس های گیت آنها، دو کنترل برداری برای مبدل طرف ژنراتور و مبدل طرف شبکه مصرفی بدست آوردن مقادیر نقطه به نقطه آن، و طراحی بلوکی که مقادیر سرعت را به عنوان ورودی و مقادیر توان را به عنوان خروجی حاصل تحویل دهد، مدل این قسمت را فراهم می سازد.
صفحه اصلی مدلسازی و شبیه سازی سیستم در محیط سیمولینک مطابق شکل) ۳-۵ (است، که اگر مدل باد، و مدل شبکه نیز که Vds، Vqs را معلوم می سازد، به مدل اضافه شود، مدل سازی تکمیل می گردد.

شکل ۳-۵- زیر سیستم مدل سازی شده برای توربین بادی

مدل باد و مدل شبکه مصرفی :

اگر مدل باد، به عنوان محرک اولیه برای اعمال به توربین بادی و مدل شبکه مصرفی برای اتصال مستقیم به استاتور و غیرمستیم به روتور )توسط مبدل ها ( نیز به آنچه گذشت اضافه گردند، مدل سازی یک واحد کامل نیروگاه بادی انجام شده است، که البته می توان با تعمیم این روش و موازی کردن چند واحد و اتصال آنها به شبکه برق مصرفی، یک مزرعه بادی را شبیه سازی نمود.
مدل باد در تعیین مشخصه های خروجی و رفتار سیستم نقش بسیار مؤثر دارد، هر چه این مدل ساده تر در نظر گرفته شود، پاسخ خروجی نیز ساده تر خواهد بود. در یک تقریب خوب غیر خطی می توان رفتار آن را با یک نویز که روی شکل موج سوار شده، مدل کرد.
براین اساس مدل فیلتر کالمن، از طریق تولید نویز سفید برای مدل سازی سرعت باد به کار رفته است، که در شکل (۳-۶) نشان داده شده است. در مدل شبکه مصرفی هم مطابق شکل(۳-۷) سعی شده است یک نوع کلی از شبکه با خطوط این انتقال نیرو با دو پست فشار قوی، تعبیه شده که به یک باس بینهایت )ولتاژ سه فاز کنترل پذیر) ، متصل شده است.
برای مدل سازی خطوط نیرو نیز از مدل πخط انتقال با در نظر گرفتن مسافت خط، استفاده شده است .
در نقطه اتصال واحد به شبکه عملیات اندازه گیری اندازه و فاز ولتاژ صورت می گیرد، که از روی آن مقادیر مؤلفه های مستقیم و عرضی ولتاژ استاتور ژنراتور که مستقیماً به شبکه مصرفی متصل است، برای مدل به دست می آید.

شکل ۳-۶- مدل باد به کار گرفته شده در شبیه سازی توربین بادی
شکل ۳-۷- مدل شبکه برق مصرفی برای اتصال به واحد توربین بادی
در این پروژه برای کنترل توان راکتیو در حالت اتصال کوتاه از STATCOM استفاده شده است. با توجه به مطالب بیان شده توضیح مختصری در مورد ادوات FACTS به خصوص STATCOM ارائه می شود.
ادوات FACTS با توجه به کاربردی که دارند در سه گروه طبقه بندی می­شوند. گروه اول به صورت موازی و برای تزریق جریان مورد استفاده قرار می­گیرند. دسته دوم به صورت سری در خطوط انتقال برای تغییر ولتاژ نصب می­شوند. گروه سوم به صورت سری – موازی بوده و برای اهداف متعددی استفاده می­شوند. به طور عادی ادوات FACTS برای تثبیت ولتاژ و یا تولید توان راکتیو به صورت موازی در سیستم نصب می­شوند. به منظور افزایش قابلیت انتقال توان و کنترل جریان خطوط انتقال این ادوات به صورت سری مورد استفاده قرار می­گیرند. نصب ادوات FACTS به صورت سری- موازی همه ویژگی­های ذکر شده را تامین می­نماید اما این نوع اتصال ممکن است از لحاظ اقتصادی مقرون به صرف نباشد.
انواع مختلفی از ادوات FACTS در سیستم­های قدرت مورد استفاده قرار می­گیرند. در ادامه به معرفی برخی از ادوات FACTS پرداخته شده است. اما با توجه به این­که رویکرد این طرح جایابی بهینه TCSC برای کاهش تراکم خطوط می­باشد از توضیحات بیشتر در مورد سایر ادوات FACTS صرفنظر شده است.
STATCOM می ­تواند برای جبران­سازی توان به جای SVC ها مورد استفاده قرار بگیرد. STATCOM به معنای جبران‌کننده‌ی استاتیک سنکرون است. STATCOMنیز مانند SVC می‌تواند برای جذب یا تولید توان راکتیو استفاده شود،‌ با این تفاوت که هنگام اتصال به منبع انرژی می‌تواند توان در توان اکتیو نیز موثر باشد. معمولا STATCOM منحنی مشخصه‌ های بهتری نسبت به SVC دارد، از طرف دیگر بر روی توان اکتیو نیز تاثیر گذار می­باشد.
در این شبیه سازی اتصال توربین بادی به شبکه توزیع و فوق توزیع در دو حالت انجام گرفته است.
تحلیل اتصال توربین بادی به شبکه برق با ژنراتور القایی دو سو تغذیه
شبیه سازی و اتصال توربین بادی به شبکه برق با ژنراتور القایی تک سو تغذیه
برای اجرای فایل سیمولینک مرحله اول کافی است ابتدا فایل سیمولینکی (به نامpower_wind_dfig)اجرا و برای شبیه سازی مرحله دوم فایل سیمولینکی سیستم مطرح شده(با نام power_wind_ig) Run شود. دو فایل سیمولینکی نیز برای شبیه سازی حالت اتصال کوتاه برای هر دو سیستم ارائه شده است. در فایل شبیه سازی از مدل­های واقعی سیستم توربین بادی، ژنراتور القایی و شبکه برق مصرفی استفاده شده است. البته لازم به ذکر است که برای کنترل مقدار توان راکتیو جاری شده در سیستم از یکی از ادوات الکترونیک قدرت به نام STATCOM استفاده شده است. کلیه پارامترها و اعداد مورد نیاز جهت شبیه سازی سیستم در فایلهای سیمولینکی موجود می­باشد. با بهره گرفتن از ادوات الکترونیک قدرت پایداری سیستم در شرایط اتصال کوتاه و اتصال توربین بادی به شبکه برق مصرفی تا حد مطلوبی بهبود می یابد.

فصل چهارم شبیه سازی ها و اخذ نتایج آن

شبیه سازی سیستم مورد مطالعه

در مرحله اول ابتدا یک توربین بادی با ژنراتور القایی دو سو تغذیه متصل به شبکه توزیع مدلسازی می شود. برای این مرحله نیز دو حالت در نظر گرفته می شود.

حالت عادی کارکرد سیستم

برای شبیه سازی سیستم مورد مطالعه ابتدا توسط یک ترانسفورماتور کاهنده ولتاژ ۱۲۰ کیلوولت فوق توزیع را به ۲۵ کیلوولت فشار ضعیف تبدیل نموده و از طریق یک خط انتقال ۲۰ کیلومتری به باس ۲۵ کیلوولتی متصل می شود. این باس وظیفه تامین توان شبکه بار مصرفی را از طریق دریافت توان از خطوط انتقال متصل به آن را بر عهده دارد. باس ۲۵ کیلوولتی از طریق خط انتقال ۱۰ کیلومتری و یک ترانسفورماتور کاهنده به باس ۵۷۵ ولتی متصل می شود. توربین بادی و شبکه بار مصرفی دارای تجهیزات حفاظتی AC و DC می باشند. این تجهیزات توربین و شبکه را در مقابل نوسانات تولید شده محافظت می کنند. خروجی توربین بادی و شبکه مصرفی به عنوان شکل موج های مورد نیاز در نظر گرفته می شود. که مدل شبیه سازی شده برای شبکه بار مصرفی در ادامه نشان داده می شود. با توجه به این که توربین های بادی مجهز به ژنراتورهای القایی دو سو تغذیه در هنگام اتصال کوتاه و متصل شدن به شبکه دچار تغییرات توان راکتیو می شوند لذا برای حل این مشکل از ادوات الکترونیک قدرت (STATCOM) در مجاورت توربین بادی و بانک خازنی در نزدیکی شبکه بار مصرفی استفاده می شود. استفاده از این تجهیزات موجب بهبود ضریب قدرت سیستم می شود. شبکه بار مصرفی دارای یک موتور القایی ۱.۶۸ مگاواتی، ضریب توان ۰.۹۳ پسفاز و ولتاژ ۲۳۰۰ ولت می باشد. با احتساب تلفات شبکه مصرفی توان کل مورد نیاز این شبکه ۲ مگاولت آمپر فرض شده است. ظرفیت تزریق توان راکتیو بانک خازنی ۸۰۰ کیلووار است که با توجه به شرایط شبکه (میزان توان راکتیو مصرفی سیستم)انتخاب می شود. سرعت اولیه باد بر خوردی به پره های توربین ۸ متر بر ثانیه و سرعت نهایی آن ۱۴ متر بر ثانیه انتخاب شده است. مدل خطوط انتقال از نوع پی (π) می باشد.
زمان شبیه سازی سیستم ۵۰ ثانیه در نظر گرفته می شود.نتایج حاصل از شبیه سازی های سیستم در زیر ارائه شده است.